鄧健韜

(中外合資合肥第二發(fā)電廠，合肥 231607)

1 設(shè)備概況

安徽省合肥第二發(fā)電廠除鹽系統(tǒng)為2×350MW燃煤發(fā)電機(jī)組提供高純度除鹽補(bǔ)給水，該系統(tǒng)由兩系列除鹽系統(tǒng)組成。其中一級(jí)除鹽采用單元制，分別由一臺(tái)陽(yáng)床、一臺(tái)脫碳器、一臺(tái)陰床組成串聯(lián)系統(tǒng)。陽(yáng)床、陰床同時(shí)運(yùn)行，同時(shí)再生。為了提高一級(jí)除鹽的周期制水量，改善出水水質(zhì)，減少酸堿耗。本文對(duì)工藝流程中進(jìn)水水量進(jìn)行調(diào)整，尋找適合本廠設(shè)備運(yùn)行的合適流量。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

在一級(jí)除鹽設(shè)備中離子在水體中的移動(dòng)速度受到濃度差的影響，靠近樹(shù)脂表面H+、OH-離子多，所需要交換的陽(yáng)、陰離子少。以Ca2+為例，存在反應(yīng)：2RH++Ca2+==R2Ca2++2H+，當(dāng)Ca2+與基團(tuán)H+交換后即達(dá)到去除離子作用。假設(shè)Ca2+在樹(shù)脂表面水膜中的平均移動(dòng)速度為V，從水膜外端移動(dòng)至內(nèi)端樹(shù)脂表面交換基團(tuán)的距離為S，理論上所需時(shí)間為S/V=T。為了減少時(shí)間T，增加單位時(shí)間內(nèi)交換離子的速度與數(shù)量可以從減少移動(dòng)距離S，和增加移動(dòng)速度V來(lái)進(jìn)行考慮。其中V的改變主要受到溫度影響，不方便加以控制。所以為了達(dá)到減少時(shí)間T的目的，本文從減少水膜厚度S進(jìn)行討論。

單元化反應(yīng)床中某顆離子交換樹(shù)脂顆粒，從流體力學(xué)中可以直觀得到：“水體流經(jīng)樹(shù)脂表面的速度越高，表面水膜厚度越小”的結(jié)果。即：當(dāng)水體進(jìn)入一級(jí)除鹽系統(tǒng)時(shí)流量越大，樹(shù)脂表面的水膜厚度就越薄，所需交換的離子移動(dòng)的距離就越短，在單位時(shí)間內(nèi)會(huì)有更多的離子移動(dòng)到樹(shù)脂表面，同時(shí)離子可以更加迅速地被交換去除。[1]

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證上述理論在實(shí)際中的表現(xiàn)，我們通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的方式進(jìn)行了論證?？紤]受到來(lái)水水質(zhì)變化的影響以及一級(jí)除鹽設(shè)備內(nèi)樹(shù)脂板結(jié)程度的不同，為了讓試驗(yàn)更加具有代表性，我們選取了一系列大反洗再生后運(yùn)行兩個(gè)制水周期的一級(jí)除鹽系統(tǒng)做為研究對(duì)象。該套系統(tǒng)設(shè)備完好，內(nèi)部樹(shù)脂層高度正常、分布均勻。在進(jìn)行流量調(diào)整前平均周期制水量在3500t。試驗(yàn)期間一級(jí)除鹽失效再生均由同一人嚴(yán)格按照規(guī)程相關(guān)規(guī)定進(jìn)行再生。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

將來(lái)水水量從70t/h到130t/h進(jìn)行調(diào)節(jié)測(cè)試，相應(yīng)流量流經(jīng)交換層的流速為14m/h到26m/h。以出水導(dǎo)電度、Na+、SiO2的含量驗(yàn)證流速對(duì)周期制水量及離子交換效果的影響。本文流量、流速僅以活性炭床進(jìn)口流量表為基準(zhǔn)進(jìn)行記錄、換算。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及初步分析

經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)出水離子濃度，得出一級(jí)除鹽系統(tǒng)在運(yùn)行的前、中、后時(shí)期與流速之間的關(guān)系如下：

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)當(dāng)該一級(jí)除鹽系統(tǒng)新投運(yùn)時(shí)(出水量小于1000t)，反復(fù)調(diào)整水量，檢測(cè)出水中Na+、SiO2含量，發(fā)現(xiàn)并無(wú)明顯變化。來(lái)水無(wú)論高、低流速在該套設(shè)備中的離子交換均可以較為徹底地進(jìn)行。

(2)當(dāng)該一級(jí)除鹽系統(tǒng)投運(yùn)至中期時(shí)(出水量在1000t～2000t)，通過(guò)改變流量，檢測(cè)出水Na+濃度開(kāi)始有變化，SiO2含量變化不大。

(3)當(dāng)該一級(jí)除鹽系統(tǒng)投運(yùn)至后期時(shí)(出水量大于2000t)，水量大小對(duì)出水導(dǎo)電度開(kāi)始有較大影響，在合適的范圍內(nèi)(小于100t/h)，出水Na+濃度明顯隨流量增大而減少，SiO2也會(huì)有略微減少。超過(guò)范圍后(100t/h～130t/h)Na+濃度逐漸增加，SiO2逐漸恢復(fù)至低流量時(shí)濃度水平。

分析：在一級(jí)除鹽系統(tǒng)投運(yùn)初期，陽(yáng)床、陰床中的樹(shù)脂均在可交換狀態(tài)，有效樹(shù)脂層高度高，原水與可以進(jìn)行離子交換的樹(shù)脂接觸時(shí)間長(zhǎng)。所以無(wú)論如何調(diào)整流量大小，水體中離子均可較為徹底地被交換。

投運(yùn)至中期時(shí)，陽(yáng)床、陰床頂部的樹(shù)脂開(kāi)始失去交換能力，有效樹(shù)脂層高度逐漸減少，水體中所需交換的離子與可以進(jìn)行離子交換能力的樹(shù)脂反應(yīng)接觸時(shí)間開(kāi)始變短。流速提高后樹(shù)脂表面水膜厚度降低，需要去除的離子可以在較短的時(shí)間移動(dòng)到樹(shù)脂表面進(jìn)行交換，在單位時(shí)間內(nèi)可交換的離子數(shù)量多，所以出水水質(zhì)指標(biāo)隨著水流量增大而變好。

投運(yùn)至后期，陽(yáng)床、陰床頂部樹(shù)脂完全失去交換能力，僅靠反應(yīng)器中部樹(shù)脂進(jìn)行離子交換，有效樹(shù)脂層高度大量減少，水體中離子與樹(shù)脂反應(yīng)接觸時(shí)間大量減少。當(dāng)流量在100t/h時(shí)達(dá)到平衡：離子移動(dòng)至樹(shù)脂表面并進(jìn)行交換的時(shí)間正好與整個(gè)水體通過(guò)有交換能力的樹(shù)脂層的時(shí)間相同，在瞬間得到完全的交換。在水體流量大于100t/h后，盡管樹(shù)脂表面水膜厚度更薄，離子移動(dòng)時(shí)間更短，但是由于反應(yīng)器中有效交換樹(shù)脂高度大幅減少，水體與樹(shù)脂接觸時(shí)間不足以讓需要去除離子交換完畢，所以出水離子含量會(huì)有所增加。

我廠一級(jí)除鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)中陰床為雙室雙層床，上部為弱陰樹(shù)脂，下部為強(qiáng)陰樹(shù)脂，該設(shè)計(jì)可以較好的根據(jù)交換特性對(duì)水中陰離子進(jìn)行交換，交換能力大于陽(yáng)床，同時(shí)我廠一級(jí)除鹽失效普遍為陽(yáng)床先于陰床失效。所以在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于陰離子的去除效果改變并不明顯。僅通過(guò)提高陽(yáng)床的處理效率便對(duì)整個(gè)出水的導(dǎo)電度有了大幅改觀。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我廠為一級(jí)除鹽系統(tǒng)供水的專用水泵流量從100t/h上升至130t/h時(shí)電流變化為28A～35A。盡管隨流量增加，電流變化不大，但本著節(jié)能降耗的目的，我們?cè)谝粋€(gè)制水周期內(nèi)將流量嚴(yán)格控制在100t/h，結(jié)果該系列一級(jí)除鹽的周期制水量確實(shí)有所提升，但仍然沒(méi)有達(dá)到我們預(yù)期的效果。

2.3.2 全程高流速下的制水效果

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，在全程使用130t/h流量制水時(shí)，周期制水量得到突破。

再次分析以上結(jié)果：一級(jí)除鹽陽(yáng)、陰床的交換過(guò)程實(shí)際上是工作層不斷推移的過(guò)程。截取整個(gè)交換柱中的一段，當(dāng)水經(jīng)過(guò)該段最頂端離子開(kāi)始被交換，到最底端時(shí)被交換完畢，這樣的層面即被稱作工作層(交換帶)[2]。我們以陽(yáng)床為例，天然水體中陽(yáng)離子通常包含Ca2+、Mg2+、Na+等多種離子，這些離子都可以與RH陽(yáng)樹(shù)脂進(jìn)行交換，按照樹(shù)脂吸附能力的大小不同，已經(jīng)與吸附能力較小的陽(yáng)離子交換后的樹(shù)脂可以再次與交換能力強(qiáng)的離子進(jìn)行交換。按照能力強(qiáng)到弱順序可以排為：Ca2+、Mg2+、Na+。首先當(dāng)水流進(jìn)過(guò)樹(shù)脂時(shí)，Ca2+、Mg2+、Na+這三種離子均被樹(shù)脂交換，在陽(yáng)床內(nèi)的樹(shù)脂層中形成一個(gè)固定布局的工作層。當(dāng)通水量增加以后，來(lái)水中的Ca2+也可以與已經(jīng)與Mg2+交換過(guò)的樹(shù)脂R2Mg型樹(shù)脂進(jìn)行交換，反應(yīng)為：Ca2++R2Mg==R2Ca+Mg2+。同理Mg2+與RNa也可以進(jìn)行再次交換，最后Na+不斷的向陽(yáng)床底部前進(jìn)，這樣的一段樹(shù)脂層我們稱為工作層，而Na+未經(jīng)過(guò)的樹(shù)脂區(qū)域稱為未工作層，未工作層內(nèi)樹(shù)脂均為RH型，水流經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)水質(zhì)不會(huì)有變化。也就是說(shuō)在交換過(guò)程的每一個(gè)瞬間，只有工作層的樹(shù)脂在發(fā)揮交換作用。當(dāng)工作層移動(dòng)到陽(yáng)床出水末端后繼續(xù)通水，Na+會(huì)最先泄漏出來(lái)，隨后為Mg2+，最終Ca2+漏出。即所需要去除的離子就會(huì)穿透、泄漏出來(lái)，隨即完成一個(gè)制水周期，需要停運(yùn)再生。按照我廠現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)陽(yáng)床出水Na+開(kāi)始增加后即為失效。這種穿透是發(fā)生在工作層末端某一個(gè)或者幾個(gè)點(diǎn)狀區(qū)域，在末端仍然存在一部分未失效樹(shù)脂，它們的交換能力不能得到利用。所以工作層越厚，Na+穿透點(diǎn)出現(xiàn)得越早，樹(shù)脂利用率就越低，此時(shí)就必須進(jìn)行再生。影響工作層厚度的原因主要有兩方面：一是水流經(jīng)過(guò)交換柱的均勻分布(此因素屬于設(shè)備范疇，主要受床內(nèi)布水裝置的影響，不做討論)；二是離子交換速度。很明顯，通過(guò)第一部分的實(shí)驗(yàn)、分析，可知水流速度越快，水中離子被交換完畢的速度也就越快，此時(shí)陽(yáng)床內(nèi)樹(shù)脂的工作層就越薄，工作層底部移動(dòng)到陽(yáng)床樹(shù)脂層底部的時(shí)間就越長(zhǎng)。同時(shí)也可以解釋在第一系列試驗(yàn)中第三部分關(guān)于一級(jí)除鹽系統(tǒng)運(yùn)行至后期時(shí)出水水質(zhì)在流量大于100t/h后變差。由于前期的反復(fù)調(diào)整試驗(yàn)，該離子交換器的工作層已逐漸增厚，在流量提高后，需要去除的離子得不到完整的交換，而從工作層底部突破，造成出水水質(zhì)下降，一級(jí)除鹽失效。

3 結(jié)論

通過(guò)上面兩個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)，證明了一級(jí)除鹽系統(tǒng)應(yīng)按照高流速運(yùn)行。在全程使用高流速運(yùn)行時(shí)可以有效的減少工作層厚度，延緩工作層底部移動(dòng)至交換器樹(shù)脂層底部的時(shí)間，使交換器中樹(shù)脂得到充分利用。在來(lái)水酸堿度較為穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)，周期制水量由3000噸左右提升至4200噸以上，減少再生頻率，提高工作效率，減少酸堿耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。